GIL 在化工行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用

王 剛 陳曉鳴 崔正新 齊福利 曹會全

（1. 聊城市魯西化工工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 2.江蘇安靠智能輸電工程科技股份有限公司）

0 引言

氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission line，GIL），外殼采用高強(qiáng)度防銹鋁合金，導(dǎo)體采用高導(dǎo)電率的鋁合金管材，減少電流集膚效應(yīng)的影響，充分利用導(dǎo)體有效通流面積，采用支柱絕緣子對導(dǎo)體進(jìn)行支撐，殼體內(nèi)部充入絕緣性能優(yōu)異的SF6氣體。GIL 具有安全可靠性高、無易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)、傳輸容量大、設(shè)計(jì)壽命長、布置靈活、運(yùn)維工作量小、電能損耗低、環(huán)境影響小、節(jié)省占地等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。

魯西化工集團(tuán)外電引入項(xiàng)目坐落在山東聊城魯西化工工業(yè)園內(nèi)，建設(shè)內(nèi)容包括2 座220kV 變電站，分別為魯化站和創(chuàng)業(yè)站，創(chuàng)業(yè)站設(shè)置在化工工業(yè)園內(nèi)，進(jìn)入創(chuàng)業(yè)站220kV 線路必須穿越化工園區(qū)。魯化站一期工程為2 臺240MVA 變壓器，二期工程擴(kuò)建2 臺240MVA 變壓器；創(chuàng)業(yè)站為3 臺240MVA 變壓器。各站一期5 回220kV 電源引入，52.4km 架空外線路，根據(jù) GB50160—2008（2018 年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[8]第4.1.6 條明確規(guī)定“公路和地區(qū)架空電力線路嚴(yán)禁穿越生產(chǎn)區(qū)”，進(jìn)入園區(qū)后改為220kV 三相共箱GIL 線路，為山東省最復(fù)雜的輸變電工程項(xiàng)目之一，也是聊城電網(wǎng)的重要的輸變電樞紐站。

本文將從GIL 項(xiàng)目概況、GIL 的方案確定、GIL工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及GIL 投運(yùn)后的運(yùn)行和運(yùn)維情況進(jìn)行介紹，并提出應(yīng)用GIL 需注意的問題，從而為化工行業(yè)應(yīng)用GIL 提供了參考。

1 GIL 項(xiàng)目概況

本工程采用220kV 三相共箱GIL 線路，額定電壓為252kV，單回額定電流為3150A[6-7]，共5 回，最長單回2.87km；采用管廊架空敷設(shè)，正常情況下架空高度為8m，跨越園區(qū)大門架空高度為12m，最大跨距66m，局部跨越障礙物的架空高度為23m；GIL熱脹冷縮補(bǔ)償采用U 形結(jié)構(gòu)；間隔約80m 左右設(shè)置一個氣室；與架空線轉(zhuǎn)接在終端塔采用套管形式，與GIS 采用分相直連形式；為了監(jiān)視GIL 的運(yùn)行情況，每個氣室配壓力密度表、故障電弧監(jiān)測定位設(shè)備、位移監(jiān)測設(shè)備、角度位移監(jiān)測設(shè)備等，并各自獨(dú)立成系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視運(yùn)行狀況。

2 GIL 方案確定

創(chuàng)業(yè)站布置在園區(qū)內(nèi)部負(fù)荷中心，距離魯化站約2.5km，穿越化工園區(qū)，由于化工園區(qū)存在大量易燃易爆、酸、堿等物質(zhì)，高塔設(shè)備、高大框架比較多，且GB50160—2008（2018 年版）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》[8]第4.1.6 條明確規(guī)定“公路和地區(qū)架空電力線路嚴(yán)禁穿越生產(chǎn)區(qū)”，因此不能采用架空線路。另外，園區(qū)內(nèi)如果采用隧道敷設(shè)，擔(dān)心含酸性水進(jìn)入影響安全運(yùn)行且施工周期長及造價高?；@區(qū)對地上架空壓力管道運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)較為豐富，因此，220kV 輸電線路園區(qū)內(nèi)部分最初調(diào)研了兩種方案，方案一為架空電纜，方案二為架空GIL。通過安全可靠性及經(jīng)濟(jì)性等綜合分析最終確定采用架空220kV 三相共箱GIL 方案。

2.1 電纜方案

架空電纜采用單芯2500mm2電纜，載流量約為1900A。由于電纜生產(chǎn)的工藝要求每根電纜長度約為500m，共需約75 個220kV 電纜中間接頭，30 個終端接頭，沿途建設(shè)封閉式電纜通道，根據(jù)220kV 電纜接頭的特點(diǎn)存在燃爆風(fēng)險(xiǎn)，安全性較低。

2.2 GIL 方案

架空GIL 額定電流3150A，調(diào)研了兩種GIL 技術(shù)方案，單相GIL 和三相共箱GIL，5 個回路單相GIL 共計(jì)15 根線路，將大大增加占用空間，三相共箱GIL 占用空間僅為單相的一半，由于三相共箱GIL所需單元數(shù)量約為單相GIL 的1/3，生產(chǎn)安裝時間短，可滿足項(xiàng)目的緊急需求；絕緣件數(shù)量約為單相GIL的1/3，可靠性更高；二次監(jiān)測元件數(shù)量約為單相的1/3，后期運(yùn)維工作量小，運(yùn)維成本低，經(jīng)濟(jì)可靠性較高，最終確定采用了三相共箱GIL 方案。

三相共箱GIL 設(shè)計(jì)壽命為60 年，為電纜設(shè)計(jì)壽命的兩倍（電纜設(shè)計(jì)壽命30 年），因此從綜合壽命周期分析，采用GIL 性價比更高，如表1 所示。

表1 GIL 和電纜優(yōu)缺點(diǎn)對比

3 工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 平面布置

本項(xiàng)目采用5 回路220kV 三相共箱GIL 連接化工園區(qū)內(nèi)的兩個新建220kV 變電站，GIL 路徑沿園區(qū)內(nèi)綠化帶架空敷設(shè)，和園區(qū)內(nèi)其他管道布置相協(xié)調(diào)，美觀程度高（見圖1）。

圖1 5 回路GIL 架空敷設(shè)

3.2 斷面圖

正常情況下，GIL 架空高度為8m，采用水泥柱子作為支撐（見圖2）。水泥柱子類型主要有兩種，一種為滑動支架用，受力較小，間距為12m；另外一種是固定支架用水泥柱子，受力較大，間距約80m。為了減少水泥柱子的施工周期，滑動支架用的水泥柱子采用預(yù)制式，提高生產(chǎn)效率。

圖2 斷面圖

管廊兩側(cè)設(shè)置巡視通道，方便現(xiàn)場安裝以及后期運(yùn)維。

跨越園區(qū)大門架空設(shè)高度為12m，最大跨距66m，采用桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨越（見圖3），方便重載貨車通行。

圖3 桁架結(jié)構(gòu)簡圖

3.3 補(bǔ)償方案

由于GIL 路徑長度較長，在長直線段必須設(shè)置波紋管來吸收其殼體產(chǎn)生的熱脹冷縮，否則殼體將會對固定支架產(chǎn)生數(shù)百噸的熱載荷，造成支架破壞，影響運(yùn)行安全。

長直線段如果采用軸向非力平衡波紋管，水泥柱子頂部的支架需承受每回路GIL 殼體產(chǎn)生的約20t 的盲板力，且由于架空高度較高，對水泥柱子根部將會產(chǎn)生很大的彎矩，固定支架的水泥柱子將需要承受巨大的軸向力及彎矩，大大增加土建成本以及施工周期；如果采用軸向力平衡波紋管，由于其行程比較小，一般為±50mm，則需要布置較多的波紋管。最后經(jīng)過論證，選用U 形段進(jìn)行補(bǔ)償（見圖4），在U 形段的兩個豎直方向分別設(shè)置一組角向波紋管，一組角向波紋管的補(bǔ)償量為±243mm，每80m設(shè)置一根角向波紋管，80m 的GIL 殼體產(chǎn)生的熱脹冷縮量為-115/+86mm，補(bǔ)償裕度非常大，因此角向波紋管還可用來做為可拆卸單元，吸收土建施工誤差、安裝誤差等，提高了運(yùn)行的安全性，另外采用角向波紋管還大大降低了基礎(chǔ)的受力，減少了土建成本的投入。

圖4 U 形段補(bǔ)償示意圖

3.4 支架設(shè)計(jì)

支架采用鋼結(jié)構(gòu)形式，表面進(jìn)行熱鍍鋅處理，支架底部和水泥柱子頂部的預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接。

支架設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的作用力和荷載包括：GIL 的自身荷載、支架的橫梁表面和GIL 底部間的摩擦力、波紋管剛度力、地震作用力、風(fēng)荷載（戶外）、短路電流作用力、其他外部沖擊（如振動）產(chǎn)生的力以及冰、雪荷載（戶外）等。

通過仿真計(jì)算分析，固定支架最大應(yīng)力值為127MPa，滑動支架最大應(yīng)力值為116MPa，均遠(yuǎn)小于支架所選用的鋼材Q345 的屈服強(qiáng)度345MPa，滿足項(xiàng)目需求。

3.5 地基設(shè)計(jì)

為加快施工進(jìn)度普通滑動支架采用預(yù)制混凝土柱，其基礎(chǔ)為獨(dú)立杯口基礎(chǔ)；固定支架采用現(xiàn)澆混凝土框架式結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。大跨度支架采用桁架結(jié)構(gòu)，支撐桁架支座采用現(xiàn)澆混凝土框架式結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)為樁基筏板形式。

3.6 接地設(shè)計(jì)

GIL 及其成套設(shè)備接地的設(shè)計(jì)應(yīng)使設(shè)備外殼、支架及易接觸部位，在正常運(yùn)行條件下感應(yīng)電壓不超過24V[9]，在故障條件下感應(yīng)電壓不超過100V。

接地母線截面應(yīng)按最大單相短路電流的70%進(jìn)行選擇。

根據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，確定接地線及短接線尺寸的公式如下：

式中，I為電流有效值，kA；Amm2為導(dǎo)體截面積，mm2；Tm為最大許可溫度，℃；

Ta為環(huán)境溫度，℃；Tr為材料常數(shù)的參考溫度，℃；a0為0℃時電阻率的溫度系數(shù)，1/℃；ar為參考溫度Tr時電阻率的溫度系數(shù)，1/℃；ρr為參考溫度為Tr時接地導(dǎo)體的電阻率，μΩ·cm；K0為1/a0或（1/ar）Tr，℃；tc為電流的持續(xù)時間，s；TCAP為每單位體積的熱容量，J/（cm3·℃）。

不同材料的參數(shù)如表2 所示。

表2 不同材料的參數(shù)

當(dāng)發(fā)生短路時，取環(huán)境溫度20℃，電流有效值I取50kA，短路持續(xù)時間3s。將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入上述公式后，可得鋁排截面積為515mm2，可得銅排截面積為300mm2，按照通流截面積70%計(jì)算，所需鋁排、銅排截面積分別為360mm2、210mm2。

3.7 連接方案

GIL 和架空線采用套管連接，將架空線用鋁絞線從鐵塔上引下至GIL 套管的接線端子上，無需設(shè)置人字形構(gòu)架。

GIL 和GIS 采用直連方案，連接處設(shè)置波紋管，用于吸收現(xiàn)場安裝誤差，氣室壓力選取大的一側(cè)。

3.8 二次在線監(jiān)測

3.8.1 SF6 密度在線監(jiān)測

每個隔室單獨(dú)安裝一個具有密度和壓力指示功能合一的絕緣氣體監(jiān)測設(shè)備，具有自動溫度補(bǔ)償功能，在-30～+60℃范圍內(nèi)任何溫度下指示的壓力值是室溫（20℃）下的壓力值（密度）。壓力表（或密度表）的準(zhǔn)確度等級為1.0 級，最大允許誤差為±1%。

壓力監(jiān)測裝置裝設(shè)逆止閥和三通閥門，以便進(jìn)行校驗(yàn)和維修。供充放氣用的逆止閥和三通閥門可外接壓力表和水分監(jiān)測裝置。

氣體監(jiān)測設(shè)備的安裝位置便于運(yùn)行人員讀取數(shù)據(jù)和試驗(yàn)維護(hù)。對于安裝于戶外的GIL 設(shè)備，其氣體監(jiān)測設(shè)備安裝防雨罩。

3.8.2 內(nèi)部故障定位在線監(jiān)測

由于GIL 長度較長，安裝內(nèi)部故障定位裝置，通過其給出需要維修的故障點(diǎn)位置。故障定位準(zhǔn)確度應(yīng)小于一個標(biāo)準(zhǔn)單元長度。可選用方法包括特高頻信號在線監(jiān)測定位法、超聲信號定位法、行波定位法、接地排匯流定位法等。本項(xiàng)目選用超聲信號定位法。

內(nèi)部故障定位檢測系統(tǒng)則需具備如下功能：

1）內(nèi)部故障定位檢測系統(tǒng)不應(yīng)對設(shè)備本體構(gòu)成電磁干擾；

2）具備對檢測信號的降頻、變頻、抽樣、除干擾等處理功能，快速檢測故障信息及故障位置；

3）具備遠(yuǎn)程通信功能；具備數(shù)據(jù)分析、歷史趨勢分析及顯示功能。

3.8.3 位移在線監(jiān)測

位移傳感器用于監(jiān)測GIL 運(yùn)行過程中單元?dú)んw活動端的熱脹冷縮位移情況，監(jiān)測點(diǎn)的位移都可以在計(jì)算機(jī)顯示，當(dāng)位移超過設(shè)定值時信號報(bào)警，由運(yùn)檢人員處理。位移傳感器基于電位計(jì)原理，內(nèi)部沒有復(fù)雜的信號處理電路，結(jié)構(gòu)簡單，由鐵心、銜鐵、初級線圈、次級 線圈組成，初級線圈、次級線圈分布在線圈骨架上，輸出為絕對位置測量，對位移和長度進(jìn)行直接測量，輸出電阻信號，也可以將信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA 信號或RS485 數(shù)字信號等，可以滿足遠(yuǎn)距離傳輸控制要求，具有很高的線性精度、很平滑的微線性特性、微米級的重復(fù)性精度。

3.8.4 綜合在線監(jiān)測后臺

綜合在線監(jiān)測后臺均配有通訊接口，一般采用Modbus 通訊協(xié)議將GIL 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至GIL 綜合監(jiān)控平臺，就地展示后再統(tǒng)一由通訊管理設(shè)備實(shí)時上傳至變電站、城市中心乃至更上級監(jiān)控中心，真正實(shí)現(xiàn)變電站，尤其是無人值班站的設(shè)備在線監(jiān)測，該通訊管理設(shè)備支持IEC61850、103、104 等多項(xiàng)通訊規(guī)約，接口支持串口、網(wǎng)口、光口形式。

4 結(jié)論

4.1 安全可靠性高

可耐受嚴(yán)酷環(huán)境，2020 年8 月時最高溫度38℃，2020 年冬天是近15 年來最冷天氣，最低溫度達(dá)到零下21℃，年最大溫差近60℃，由于工程設(shè)計(jì)采用了U 形補(bǔ)償方案，補(bǔ)償量大，在最冷的時候GIL 伸縮量達(dá)到了120mm，角向波紋管的補(bǔ)償量仍有裕度。

土建水泥柱產(chǎn)生沉降，有一處架空立柱發(fā)生20mm的沉降，已經(jīng)嚴(yán)重超出了設(shè)計(jì)值10mm 的沉降要求，由于GIL 鋁合金殼體的柔性，GIL 仍可正常運(yùn)行。

4.2 施工快、運(yùn)維簡單

從簽訂合同到完成現(xiàn)場交接試驗(yàn)僅用了不到6 個月的時間，中間還經(jīng)歷了新冠疫情，1 名運(yùn)維人員即可完成對11.4km GIL 的運(yùn)維。運(yùn)維人員在后臺查看SF6壓力、GIL 位移、GIL 故障定位數(shù)據(jù)即可。僅在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時才需要進(jìn)行實(shí)地查看，幾乎達(dá)到了免維護(hù)。

4.3 投資經(jīng)濟(jì)性高

GIL 設(shè)計(jì)使用壽命約為60 年，電纜的設(shè)計(jì)使用壽命約為30 年；全壽命周期成本及運(yùn)維成本較低。

該工程是化工行業(yè)內(nèi)第一條220kV 三相共箱GIL輸電線路，于2020 年8 月投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，免維護(hù)。